Dalle proteine alle plastiche che cambiano forma
I materiali plastici sono resistenti e leggeri, e presentano numerose applicazioni nell’industria sanitaria, automobilistica e aeronautica, oltre che nel confezionamento. Tuttavia, meno del 10 % della plastica prodotta viene riciclata, contribuendo così all’inquinamento ambientale. Servono quindi plastiche biocompatibili che possano essere riciclate o degradate dopo aver assolto la propria funzione. Queste infatti ridurrebbero la dipendenza dai combustibili fossili e sosterrebbero i materiali con un ciclo di vita sostenibile.
Una strategia innovativa per le bioplastiche a base proteica
Per affrontare questo problema, il progetto 4D-Biogel, finanziato dall’UE, ha avviato la fabbricazione di materiali plastici utilizzando polimeri a base biologica e biodegradabili. La ricerca è stata intrapresa con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie (MSCA). «Sono stati sviluppati materiali a base proteica che emulano funzioni biologiche e non biologiche, tra cui caratteristiche fisiche quali la resistenza meccanica», spiega Haritz Sardon, borsista MSCA. L’innovazione alla base della strategia di 4D-Biogel consiste nel fatto che i ricercatori si sono serviti della capacità di dispiegamento delle proteine. Usando come stimoli il calore e l’acqua, essi sono stati in grado di trasformare la forma dei materiali risultanti conferendo loro plasticità ed elasticità. Le connesse modifiche spazio-temporali dei materiali li hanno dotati di una quarta dimensione: il tempo.
L’albumina sierica come componente bioplastico inedito
Per superare i limiti della processabilità e delle prestazioni meccaniche, i ricercatori hanno prodotto una resina a base di albumina sierica bovina (BSA). La BSA è una proteina molto abbondante ed economica che potrebbe essere stampata facilmente per realizzare bioplastiche dotate di molte proprietà utili. I ricercatori hanno ottenuto geometrie tridimensionali ad alta risoluzione dei materiali a base proteica utilizzando un tipo di stampa 3D noto come stereolitografia a scansione laser. Questo approccio si avvale della luce per reticolare chimicamente le resine proteiche. Il team ha scoperto che la BSA manteneva la sua conformazione globulare originale nei prodotti bioplastici stampati in 3D. È interessante notare che queste proteine presentavano una lunghezza memorizzata che poteva essere dispiegata dopo la stimolazione. Questa modalità di trasformazione di forma poteva essere invertita riscaldando gli oggetti o immergendoli in acqua, permettendone il ritorno alla loro forma tridimensionale originaria. I ricercatori hanno compiuto un ulteriore passo avanti per abbinare queste bioplastiche alle nanoparticelle d’oro. Queste ultime hanno la capacità di trasformare in calore la luce non invasiva nel vicino infrarosso e di modificare la forma delle bioplastiche. «Ciò dovrebbe avere un impatto a lungo termine per quanto riguarda l’adozione di questi materiali nel corpo, in quanto ora possiamo indurre questa trasformazione utilizzando una fonte di luce non invasiva ed estremamente penetrante», sottolinea Sardon.
Verso una produzione additiva più ecologica
La stampa 3D di oggetti prodotti a livello industriale è nota come produzione additiva e impiega la progettazione CAD per depositare il materiale strato per strato in base al modello tridimensionale fornito. Nonostante le notevoli potenzialità della produzione additiva, è necessario affrontare gli aspetti legati alla sostenibilità. L’utilizzo di molecole biocompatibili come base per resine e inchiostri favorirà il riciclaggio e aumenterà la sostenibilità della produzione additiva. I risultati di 4D-Biogel contribuiscono in modo significativo alla produzione additiva ecologica attraverso resine di origine biologica che forniscono proprietà meccaniche paragonabili a quelle delle plastiche commerciali. È importante sottolineare che la modalità di trasformazione di forma delle bioplastiche a base proteica sarà utile nella fabbricazione di dispositivi medici quali impianti e stent. La natura dinamica di queste strutture può trovare applicazione anche in altri campi, quali la robotica e la bioelettronica.
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